In der aktuellen Entwicklung von Niederdruckturbinen für Flugtriebwerke ist man bestrebt, das Gewicht der Komponente durch eine Verringerung der Schaufelanzahl zu reduzieren. Für die verbleibenden Schaufeln hat dies eine Erhöhung der aerodynamischen Belastung zur Folge. Durch die bewusste Etablierung laminarer Ablöseblasen als Mittel zur Transitionskontrolle ist es möglich, Schaufelprofile auszulegen, mit denen diese Belastungssteigerung ohne eine signifikante Verschlechterung des Wirkungsgrades realisiert werden kann. In diesem Zusammenhang hat sich zudem gezeigt, dass die in einer ausgeführten Turbine unweigerlich auftretende periodisch instationäre Rotor-Stator-Interaktion zur Verringerung der Verluste gewinnbringend ausgenutzt werden kann. Für die Auslegung von Turbomaschinen hat sich die numerische Strömungssimulation in den letzten Jahrzehnten als unverzichtbares Werkzeug etabliert, wobei neben stationären Verfahren mittlerweile auch zeitgenaue Simulationen sinnvoll eingesetzt werden können. Dies bietet die Möglichkeit, die instationären Phänomene der Rotor-Stator-Interaktion direkt aufzulösen, um diese noch gezielter ausnutzen zu können. Die vorliegende Arbeit liefert zunächst einen Beitrag zur Validierung eines bestehenden Rechenverfahrens in Bezug auf den Einfluss des Zuströmturbulenzgrades bei stationärer Zuströmung, wobei durch eine Modellerweiterung eine deutliche Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit erzielt werden konnte. Das wesentliche Ziel liegt jedoch in der Beurteilung der Leistungsfähigkeit bei periodisch instationärer Zuströmung. Es wurde untersucht, in wie weit das für die Berechnung stationärer Strömungen etablierte Turbulenz- und Transitionsmodell in der Lage ist, wesentliche Effekte der instationären Grenzschichtentwicklung realistisch abzubilden. Zu diesem Zweck wurden über einen weiten Betriebsbereich stationäre und instationäre Simulationen für zwei verschiedene hochbelastete Niederdruckturbinengitter durchgeführt, für die umfangreiche experimentelle Vergleichsdaten aus Windkanaluntersuchungen vorliegen. Beide Turbinengitter sind durch das Auftreten einer ausgeprägten laminaren Ablöseblase im Auslegungspunkt gekennzeichnet. Bei periodisch instationärer Zuströmung ist die Grenzschichtentwicklung durch eine Stromaufverschiebung des Transitionsbeginns unter dem Einfluss der Nachläufe gekennzeichnet. Die Existenz eines dem turbulenten Streifen nachfolgenden beruhigten Bereiches konnte dabei eindeutig nachgewiesen werden. Insgesamt kommt es zu einer Reduktion der Impulsverlustdicke an der Hinterkante, aus der auf insgesamt geringere Reibungsverluste in der saugseitigen Grenzschicht im Vergleich zur stationären Zuströmung geschlossen werden kann. Aufgrund der unterschiedlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten turbulenter und beruhigter Grenzschichtbereiche, welche durch die Simulationen korrekt erfasst werden, haben sowohl die Strouhal- als auch die Durchflusszahl der instationären Zuströmung einen signifikanten Einfluss auf die saugseitige Grenzschichtentwicklung. Insbesondere konnten eine von der Durchflusszahl abhängige obere Grenze sowie eine optimale Strouhal-Zahl identifiziert werden, bei der eine Verringerung der Verluste unter das stationäre Niveau zu verzeichnen ist. Wenngleich keine direkten experimentellen Vergleichsdaten für den konkreten Fall vorliegen, so konnten die beobachteten Phänomene durch den Vergleich mit verschiedenen in der Literatur beschriebenen Ergebnissen vollauf bestätigt werden. Die Überprüfung des Verfahrens an einem weiteren Turbinengitter liefert eine gute Übereinstimmung bei höheren Reynolds-Zahlen, wobei in diesem Fall ein Anstieg der Verluste über das Niveau bei stationärer Zuströmung zu verzeichnen ist. Eine Abschwächung dieses Effektes in Richtung niedriger Reynolds-Zahlen wird durch das Verfahren erfasst, eine tatsächliche Verlustreduktion, wie sie die experimentellen Daten zeigen, konnte jedoch nicht reproduziert werden.    «

In der aktuellen Entwicklung von Niederdruckturbinen für Flugtriebwerke ist man bestrebt, das Gewicht der Komponente durch eine Verringerung der Schaufelanzahl zu reduzieren. Für die verbleibenden Schaufeln hat dies eine Erhöhung der aerodynamischen Belastung zur Folge. Durch die bewusste Etablierung laminarer Ablöseblasen als Mittel zur Transitionskontrolle ist es möglich, Schaufelprofile auszulegen, mit denen diese Belastungssteigerung ohne eine signifikante Verschlechterung des Wirkungsgrades...    »